АО «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы» logo

Статьи

автор

Акционерное общество «Научно-технический центр радиоэлектронной борьбы»

Количественная оценка помехоустойчивости радиоэлектронных систем по результатам моделирования воздействий мощных электромагнитных помех


avatar author

Автор: Карташов Дмитрий Александрович,

начальник отдела «Центра системных исследований и разработок»

avatar author

Автор: Кравцов Евгений Владимирович,

заместитель начальника кафедры информационной безопасности, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кандидат технических наук

К современным радиоэлектронным системам (РЭС) предъявляются жесткие требования эксплуатации в различных условиях. Одним из таких требований, определяющим эффективность функционирования РЭС в сложной электромагнитной обстановке, является помехоустойчивость к воздействию различных видов помех. Современный этап развития как элементной базы РЭС, так и источников генерирования различных сигналов, в том числе и специальных помех, привел к появлению новых механизмов поражения РЭС (электромагнитный, тепловой, плазменный) при воздействии на их элементы, блоки и узлы аппаратуры мешающих сигналов, возникающих под действием мощных электромагнитных помех [1]. Границы существования механизмов поражения зависят от плотности потока энергии, несущей частоты и длительности излучения помехи, частоты следования импульсов, длительности облучения объекта воздействия – РЭС, его состояния и внешних условий в момент воздействия. Если в качестве помехового воздействия рассматривать СВЧ-излучение, то общие и частные критерии поражения РЭС определяются энергетическими уровнями наведенных помеховых сигналов на критичных элементах.

Электромагнитный механизм поражающего действия, заключающийся в прохождении СВЧ-излучения через антенно-фидерные устройства, радиопрозрачные корпуса, межблочные соединения радиоэлектронной аппаратуры, формировании паразитных наводок в электрических цепях, вызывающих сбои в работе цифровых электронных схем, обратимые или необратимые параметрические отказы, выгорание полупроводниковых элементов. Он реализуется при относительно низких энергетических уровнях * Вт/см2.

Тепловой механизм поражающего действия, заключающийся в объемном поглощении энергии СВЧ-излучения критичными элементами, вследствие чего происходит их недопустимый нагрев, реализуется при уровнях плотности потока энергии * Вт/см2.

В случае безэлектродного СВЧ-разряда, заключающегося в электрическом пробое атмосферы и образовании неоднородной плазменной области, которая может вызывать тепловое поражение критических элементов или оказывать на них помеховые действия, приводит к возникновению плазменного механизма поражения, который реализуется при уровнях плотности потока энергии * Вт/см2.

В зависимости от вида элементной базы и условий ее использования в РЭС, допустимые значения энергетических уровней помеховых сигналов, оказывающих воздействие на критичные элементы РЭС, могут иметь иные значения, которые применительно к элементной базе определяются в специализированных испытательных технических центрах или лабораториях.

Однако при исследовании вопросов, связанных с оценкой помехоустойчивости сложных, особенно крупногабаритных РЭС, возникает необходимость выявления всей совокупности каналов проникновения помех и определение механизмов поражающего действия на критичные элементы. В настоящее время данная задача решается по результатам проведения испытаний по определению количественных показателей помехоустойчивости расчетно-экспериментальным или экспериментальным методами, что связано с большими затратами материальных средств, намного превышающими затраты на выполнение опытно-конструкторских работ.

Цель данной статьи является обоснование способа применения моделей оценки помехоустойчивости радиоэлектронных систем, позволяющего получить количественные зависимости влияния отклонения от номинала основных контролируемых параметров критичных элементов при воздействии разных видов мощных электромагнитных помех.

Решению подлежит следующая задача. При заданных составе и структуре РЭС, параметрах внешних воздействий необходимо определить каналы проникновения помеховых сигналов и получить количественные значения отклонения от номинала основных контролируемых параметров критичных элементов.

В работах Фортова В.Е. [1] приведены результаты сравнительных оценок различных способов генерирования мощных электромагнитных помех и перспективы развития генераторов мощных импульсов электрического тока. Результаты анализа натурных испытаний и полученные частотно-энергетические и временные характеристики помеховых воздействий позволили определить область допустимых значений модели аппроксимации мощных СВЧ излучений, а также применение аналитических зависимостей для их описания. Особенностью мощного СВЧ поля с точки зрения воздействия на РЭС является то, что оно наводит в каналах проникновения помеховых сигналов СВЧ токи, которые приводят к тепловому разогреву критических элементов, вызывая сначала временную потерю работоспособности устройств (подсистем) КТК, а дальше возникновение отказов. Мощные СВЧ импульсы характеризуются амплитудой * , формой, частотой излучения * и длительностью и формой импульса * , поэтому для их аппроксимации целесообразно применять биэкспоненциальное выражение вида:

*

где * – коэффициенты аппроксимации, характеризующие длительность спада и фронта СВЧ импульса.

Для количественной оценки уровней помеховых сигналов, воздействующих на критичные элементы, проходная характеристика канала проникновения мощных электромагнитных помех может быть представлена в виде оператора, ставящего в соответствие множеству входных переменных множество выходных переменных. Так как наведенные мощным СВЧ импульсом помехи приводят к нелинейным эффектам в усилительных и преобразовательных каскадах радиоэлектронной аппаратуры, обусловленным нелинейностью вольтамперных характеристик критичных элементов, то для аппроксимации проходных характеристик каналов проникновения помех предлагается использовать следующую функцию [2]:

*

где * – крутизна проходной характеристики * ; k, n – переменные коэффициенты, определяющие вид аппроксимирующей функции; U – текущее напряжение [В]; * – напряжение смещения [В].

Если в выражение (2) в качестве входного воздействия подставить выражение (1), то получим выражение для определения множества реакций канала проникновения помеховых сигналов:

*

Выражение (3) представляет собой дискретную последовательность значений наведенного мощным СВЧ импульсом помехового тока, протекающего в нелинейном тракте и воздействующего на критичный элемент. С учетом значений энергетических показателей наведенных помеховых сигналов по методу наихудшего случая производится количественная оценка влияния отклонения от номинала основных контролируемых параметров критичных элементов при воздействии разных видов мощных электромагнитных помех:

*

где * – предельное допустимое отклонение (допуск) энергии; * – количество оцениваемых параметров; * – функция помехозащищенности; * – максимальное изменение значения показателя элемента канала проникновения помех.

На основе выражений (1-4) разработано специальное программное обеспечение, реализующее способ моделирования помехоустойчивости радиоэлектронных систем, позволяющий получить количественные зависимости влияния отклонения от номинала основных контролируемых параметров критичных элементов при воздействии разных видов мощных электромагнитных помех. Пример оценки помехоустойчивости РЭС представлен на рисунке 1.

*
Рис.1

На рисунке 1 представлены результаты моделирования входного воздействия – мощного СВЧ импульса, проходной характеристики нелинейного тракта, состоящего из двух нелинейных элементов, соединенных параллельным способом, а также результаты определения реакции канала проникновения помех на входное воздействие и ее спектральная характеристика. Временное представление реакции на входное воздействие позволяет определить длительность переходных процессов в нелинейном тракте и время, в течение которого через критические элементы протекают наведенные помеховые токи. Уровни помеховых сигналов и их частотные характеристики определяются при построении спектра реакции на входное воздействие. По их значениям возможно определить вид механизма поражающего действия и спрогнозировать отказы критичных элементов.

Таким образом, для количественной оценки помехоустойчивости РЭС к воздействию мощных электромагнитных помех необходимо путем анализа схемотехнического и конструктивно-технологического исполнения РЭС осуществить выбор каналов проникновения помеховых сигналов к критичным элементам, аппроксимировать их проходные характеристики с помощью предложенного в статье программного обеспечения и оценить их реакцию на воздействие различных видов мощных электромагнитных помех. Полученные результаты могут быть распространены на различные виды РЭС после учета специфики их функционально-структурных характеристик.

Список литературы

  • 1. Фортов В.Е. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. – М.: Наука, 2002 – 399 с.
  • 2. Кравцов Е.В., Панычев С.Н. Математические модели для аппроксимации проходных характе¬ристик нелинейных антенн. / Журнал Антенны – 2007. – №4. – С. 20 - 22.